CN110690580A - 一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线及其设计方法，所述二维多波束超表面天线包括：太赫兹超表面天线阵和二维排列的太赫兹馈源阵列；所述太赫兹超表面天线阵包括：四层间隔一定距离层叠固定设置的金属阵列，每个金属阵列为一个长方形金属板，其上设置若干个横向纵向等间距排布的阵列单元；每个阵列单元包含两个同心的双六边形缝隙环；所述太赫兹馈源阵列位于超表面天线的焦平面上，能够实现水平方向‑15°～15°范围和垂直方向‑10°～10°范围的高增益波束扫描。本发明的超表面天线的双六边形缝隙单元不含介质，其对太赫兹波的传输损耗小于1dB。

Description

一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线及其设计方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线及其设计方法。
背景技术
超表面天线利用了超材料的负折射特性，可以将馈源辐射的球面波汇聚，实现远场的高增益波束。由于其低结构剖面、重量轻、加工成本低廉，能够广泛应用于5G毫米波通信、微波遥感和军民用雷达领域。
目前，由于太赫兹波在介质表面的反射损耗和透射损耗较高，导致超表面天线在太赫兹频段范围的损耗较高。对于多波束超表面天线，当馈源偏离超表面天线的焦点时，超表面天线对馈电波束的相位补偿性能变差以及溢出损耗的增大，导致扫描波束的增益明显降低，副瓣提升明显。此外，传统多波束超表面天线只能实现波束的一维方向扫描。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的多波束超表面天线存在的上述缺陷，设计了一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线。该天线采用不含介质的太赫兹超材料单元，能够明显降低超表面天线对太赫兹波的透射损耗。通过对传输相位的指数加权设计，改善馈源偏离焦点情况下的相位补偿能力，提升扫描波束的辐射性能，扩展超表面天线的横向口径，降低溢出损耗，从而降低太赫兹超表面天线的扫描损耗和副瓣电平；采用馈源二维阵列排布的方式，可以实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的波束扫描。
为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，包括：太赫兹超表面天线阵和二维排列的太赫兹馈源阵列；
所述太赫兹超表面天线阵包括：四层间隔一定距离层叠固定设置的金属阵列，每个金属阵列为一个长方形金属板，其上设置若干个横向纵向等间距排布的阵列单元；每个阵列单元包含两个同心的双六边形缝隙环；
所述太赫兹馈源阵列位于超表面天线的焦平面上，能够实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的高增益波束扫描。
作为上述装置的一种改进，所述双六边形缝隙环的内六边形缝隙环的半径为r，所述双六边形缝隙环的外六边形缝隙环的半径为R，R＝r+0.1mm。
作为上述装置的一种改进，所述内六边形缝隙环的半径r的取值范围为0.05-0.09mm；所述外六边形缝隙环的半径R的取值范围为0.15-0.19mm。
作为上述装置的一种改进，所述内六边形缝隙环和外六边形缝隙环的宽度均为w，取值范围为0.04-0.06mm。
作为上述装置的一种改进，所述双六边形缝隙环的左右两边均有两个对称的30°缺口。
作为上述装置的一种改进，两个相邻金属板之间的距离为H＝0.21mm；每层金属板的厚度为T＝0.01mm。
作为上述装置的一种改进，所述太赫兹馈源阵列包括35个馈源，以7行5列的方式均匀排列。
本发明还提出了一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线的设计方法，用于设计上述的二维多波束超表面天线，所述方法包括：
步骤1)获得二维多波束超表面天线的每个金属阵列的传输相位分布；
步骤2)根据仿真得到两个同心的双六边形缝隙环的内六边形缝隙环的半径r与传输相位的关系，以及阵列单元的传输相位分布，从而得到阵列单元的分布；
步骤3)根据波束辐射角度与馈源偏置值的正切关系，计算二维排列的太赫兹馈源阵列的各个位置坐标。
本发明的优点在于：
1、本发明的超表面天线的双六边形缝隙单元不含介质，其对太赫兹波的传输损耗小于1dB，是一种太赫兹低损耗的超表面天线；
2、本发明的天线采用二维阵列馈源进行馈电，可以实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的二维高增益波束扫描。扫描波束的增益大于24dB，水平方向扫描损耗小于0.6dB，垂直方向扫描损耗小于0.5dB。
附图说明
图1是本发明的太赫兹超表面天线阵的侧视图；
图2是本发明的阵列单元的双六边形缝隙环的示意图；
图3(a)是本发明的双六边形缝隙环结构的传输相位曲线图；
图3(b)是本发明的双六边形缝隙环结构的传输损耗曲线图；
图4(a)是本发明的多波束超表面天线垂直方向的侧视图；
图4(b)是本发明的多波束超表面天线水平方向的侧视图；
图5是本发明的金属单元层的阵列单元分布的示意图；
图6(a)是本发明的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线的水平扫描波束方向图。
图6(b)是本发明的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线的垂直扫描波束方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的设计原理为：当馈源辐射的电磁波照射在超表面上的单元时，对于中心区域的单元，电磁波是垂直入射的，然而对于边缘区域的单元，电磁波是倾斜一定角度照射在单元上的。在频率选择表面的设计中，环形单元具有较高的角度稳定性，其传输特性随着电磁波入射角度的变化较小。由于六边形环单元的对称性较好，因此将六边形环单元应用在本发明中。除此之外，此发明引用双六边形环单元，其镂空面积大于单六边形缝隙单元，提升了电磁波的透射效率，进一步降低了损耗。
本发明提出了一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，采用不含介质的太赫兹超材料单元，能够明显降低超表面天线对太赫兹波的透射损耗。通过对传输相位的指数加权设计，改善馈源偏离焦点情况下的相位补偿能力，提升扫描波束的辐射性能，扩展超表面天线的横向口径，降低溢出损耗，从而降低二维多波束超表面天线的扫描损耗和副瓣电平；采用馈源二维阵列排布的方式，可以实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的波束扫描。
具体地，在340GHz的工作频点，当馈源的增益为12.8dB时，所述太赫兹低损耗多波束超表面天线的增益为24dB(θ＝0°，φ＝0°)，24.6dB(θ＝5°，φ＝0°)，24dB(θ＝10°，φ＝0°)，23.9dB(θ＝15°，φ＝0°)，24.5dB(θ＝5°，φ＝90°)，24.3dB(θ＝10°，φ＝90°)。
本发明提出了一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，包括：太赫兹超表面天线阵和二维排布的太赫兹馈源阵列。如图1所示，所述太赫兹超表面天线阵包括：四层间隔一定距离层叠固定设置的金属阵列，每个金属阵列为一个长方形金属板，其上设置若干个横向纵向等间距排布的阵列单元；每个阵列单元包含两个同心的双六边形缝隙环；
相邻金属板的距离为H＝0.21mm，即从一个金属板的下表面到相邻金属板的上表面的距离。其中，金属板的厚度是T＝0.01mm。
如图2所示，每个阵列单元包含两个同心的六边形缝隙环，内六边形环的半径为r，r的范围为0.05-0.09mm；外六边形环的半径为R，R＝r+0.1mm，R的范围为0.15-0.19mm；内六边形缝隙环和外六边形缝隙环的宽度均为w，w的范围是0.04-0.06mm；双六边形缝隙环的左右两边都有两个对称的30°缺口。双六边形缝隙环结构实现传输相位为0-360°范围内的一个值。由于该单元不含介质，能够明显降低太赫兹波的传输损耗。每个金属单元层设置若干个等间距排布的阵列单元。
双六边形缝隙环结构中小六边形半径决定单元结构的传输相位，如图3(a)和图3(b)所示。
本发明采用二维阵列馈源照射超表面阵列，可以实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的高增益波束扫描。如图4(a)和图4(b)所示。
本发明还提出了上述天线的设计方法，该方法具体包括：
步骤1)获得超表面天线每个金属阵列的传输相位分布；所设计的超表面天线口径为10mm×7mm，焦距为3.5mm；
步骤2)根据仿真得到的双六边形缝隙环结构单元的内六边形半径r与传输相位的关系，与所设计的超表面阵列单元的传输相位分布，从而得到超表面天线的单元阵列排布；
步骤3)根据波束辐射角度与馈源偏置值的正切关系，可以得到二维馈源阵列的位置坐标；
根据步骤1)，设传输阵列天线的纵向口径Dy＝7mm,传输阵列天线的横向口径扩展至Dx＝10mm，焦距F＝3.5mm。当x1＝-0.93mm,θ1＝15°和x2＝0.93mm,θ2＝-15°时，可得二维多波束超表面天线的第一象限(x>0，y>0)的传输相位分布如下表格所示：
表1
188 212 259 329 60
58 82 131 203 298 54 190
303 327 17 91 189 309 89 247
204 230 280 356 97 220 4 167 344
126 152 204 282 25 151 298 104 285
72 98 151 230 335 103 253 61 245 82
44 71 124 204 309 79 230 39 225 63
根据步骤1)的结果，根据大六边形环半径与小六边形环半径之间的关系，如下所示：
R＝r+w+g (1)
当r由0.05mm增大至0.09mm时，由公式(1)可知，R也随着r的增加而增加，所述的双六边形缝隙环的传输相位随着r和R的改变可以实现0-360°范围的传输相位变化，传输损耗小于1dB，而常规太赫兹单元的传输损耗在2dB以上。由天线的传输相位分布和单元的相位-半径曲线，可以获得一个椭圆形口径的太赫兹多波束超表面天线，如图5所示。
当7×5个馈源放置于超表面天线的焦平面时，其位置范围为-0.93mm～0.93mm(x方向)和-0.62mm～0.62mm(y方向)，二维馈源阵列的坐标位置如表2所示：
表2：单位：mm
(-0.93,0.62) (-0.62,0.62) (-0.31,0.62) (0,0.62) (0.31,0.62) (0.62,0.62) (0.93,0.62)
(-0.93,0.31) (-0.62,0.31) (-0.31,0.31) (0,0.31) (0.31,0.31) (0.62,0.31) (0.93,0.31)
(-0.93,0) (-0.62,0) (-0.31,0) (0,0) (0.31,0) (0.62,0) (0.93,0)
(-0.93,-0.31) (-0.62,-0.31) (-0.31,-0.31) (0,-0.31) (0.31,-0.31) (0.62,-0.31) (0.93,-0.31)
(-0.93,-0.62) (-0.62,-0.62) (-0.31,-0.62) (0,-0.62) (0.31,-0.62) (0.62,-0.62) (0.93,-0.62)
该二维多波束超表面天线的主波束可以实现水平方向-15°～15°和垂直方向-10°～10°范围的二维高增益波束扫描，如图6(a)和图6(b)所示，二维多波束超表面天线扫描波束的增益大于24dB，水平方向的扫描损耗小于0.6dB，垂直方向的扫描损耗小于0.5dB，而同等口径常规多波束超表面天线的扫描损耗为3.5dB。另外，本发明的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线扫描波束的旁瓣电平低于-15dB，而同等口径的常规太赫兹多波束超表面天线扫描波束的旁瓣电平为-10dB。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，包括：太赫兹超表面天线阵和二维排列的太赫兹馈源阵列；
所述太赫兹超表面天线阵包括：四层间隔一定距离层叠固定设置的金属阵列，每个金属阵列为一个长方形金属板，其上设置若干个横向纵向等间距排布的阵列单元；每个阵列单元包含两个同心的双六边形缝隙环；
所述太赫兹馈源阵列位于超表面天线的焦平面上，能够实现水平方向-15°～15°范围和垂直方向-10°～10°范围的高增益波束扫描。
2.根据权利要求1所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述双六边形缝隙环的内六边形缝隙环的半径为r，所述双六边形缝隙环的外六边形缝隙环的半径为R，R＝r+0.1mm。
3.根据权利要求2所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述内六边形缝隙环的半径r的取值范围为0.05-0.09mm；所述外六边形缝隙环的半径R的取值范围为0.15-0.19mm。
4.根据权利要求1-3之一所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述内六边形缝隙环和外六边形缝隙环的宽度均为w，取值范围为0.04-0.06mm。
5.根据权利要求4所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述双六边形缝隙环的左右两边均有两个对称的30°缺口。
6.根据权利要求1所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，两个相邻金属板之间的距离为H＝0.21mm；每层金属板的厚度为T＝0.01mm。
7.根据权利要求1所述的太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线，其特征在于，所述太赫兹馈源阵列包括35个馈源，以7行5列的方式均匀排列。
8.一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线的设计方法，用于设计权利要求1-7之一所述的二维多波束超表面天线，所述方法包括：
步骤1)获得二维多波束超表面天线的每个金属阵列的传输相位分布；
步骤2)根据仿真得到两个同心的双六边形缝隙环的内六边形缝隙环的半径r与传输相位的关系，以及阵列单元的传输相位分布，从而得到阵列单元的分布；
步骤3)根据波束辐射角度与馈源偏置值的正切关系，计算二维排列的太赫兹馈源阵列的各个位置坐标。
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